制药化工原理实验指导06.docx
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制药化工原理实验指导06
制药化工原理
实验指导
生物工艺教研室编
江西农业大学生物科学与工程学院
2014年06月
实验一流体流动阻力的测定
一、实验目的
1、了解流体在管道内摩擦阻力的测定方法；
2、确定摩擦系数λ与雷诺数Re的关系。
二、基本原理
由于流体具有粘性，在管内流动时必须克服内摩擦力。
当流体呈湍流流动时，质点间不断相互碰撞，引起质点间动量交换，从而产生了湍动阻力，消耗了流体能量。
流体的粘性和流体的涡流产生了流体流动的阻力。
在被侧直管段的两取压口之间列出柏努力方程式，可得：
ΔPf=ΔP
L—两侧压点间直管长度（m）
d—直管内径（m）
λ—摩擦阻力系数
u—流体流速（m/s）
ΔPf—直管阻力引起的压降（N/m2）
µ—流体粘度（Pa.s）
ρ—流体密度（kg/m3）
本实验在管壁粗糙度、管长、管径、一定的条件下用水做实验，改变水流量，测得一系列流量下的ΔPf值，将已知尺寸和所测数据代入各式，分别求出λ和Re，在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线。
三、实验装置与仪器
1、实验装置
水泵将储水糟中的水抽出，送入实验系统，首先经玻璃转子流量计测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动的阻力，经回流管流回储水槽，水循环使用。
被测直管段流体流动阻力△P可根据其数值大小分别采用变压器或空气—水倒置U型管来测量。
实验系统流程图见图一
压差传感器与直流数字电压表连接方法见图二
2、设备的主要技术参数
（1）被测直管段:
管径d—0.0080（m）管长L—1.6（m）材料:
紫铜管
（2）玻璃转子流量计:
型号LZB—25测量范围100—1000（L/h）精度:
1.5
型号LZB—10测量范围10—100（L/h）精度:
2.5
（3）单项离心清水泵:
型号WB70/055流量20—2000（L/h）
扬程:
13.5～19（m）电功功率:
550（W）电机功率:
550（W）
电流:
1.35（A）电压:
380（V）
四、实验步骤:
1、向储水槽内注蒸馏水,直到水满为止。
2、大流量状态下的压差测量系统,应先接电预热10-15分钟,观擦数字仪表的初始值并记录后方可启动泵做实验。
3、检查导压系统内有无气泡存在.当流量为0时打开B1、B2两阀门，若空气－水倒置U型管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在,需要排净气泡方可测取数据。
排气方法：
将流量调至较大，排除导压管内的气泡，直至排净为止。
4、测取数据的顺序可从大流量至小流量，反之也可，一般测15～20组数，建议当流量读数小于300L/h时，用空气—水倒置U型管测压差ΔP。
5、待数据测量完毕，关闭流量调节阀，切断电源。
五、使用实验设备应注意的事项：
1、调流量要慢、稳、准。
2、利用压力传感器测大流量下ΔP时，应切断空气—水倒置U型管B1、B2两阀门否则影响测量数据。
3、在实验过程中每调节一个流量之后待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
4、若较长时间不做验验,启动离心泵之前应先转动泵轴使之灵活运转,否则烧坏电机。
六、数据处理：
1、利用所测数据计算出Re、λ值并列表，按层流和湍流两种情况分别列出。
2、以Re为横坐标，λ为纵坐标，在双对数坐标纸上标会出Re和λ的关系曲线，并与教材上二图线进行比较。
七、思考与讨论:
1、怎样检查管道内的气体是否排尽？
2、怎样使转子流量计稳定？
3、误差与讨论。
（光滑管：
优质不锈钢光滑管，管径20mm、管长1.4m。
粗糙管：
工业镀锌管，管径20mm、管长1.4m。
局部阻力管：
优质不锈钢管，含突扩、突缩段及阀门段，管径25mm及40mm。
）
实验三恒压过滤实验
一、实验目的
1、熟悉实验装置的结构和操作方法；
2、测定在恒压操作时的过滤常数K，qe，τe，并以实验所得结果验证过滤方程式，增进对过滤理论的理解；
3、改变压强差重复上述操作，测定压缩指数s和物料特性常数k。
二、实验原理
过滤过程是将悬浮液送至过滤介质及滤饼一侧，在其上维持另一侧较高的压力，液体则通过介质而成滤液，而固体粒子则被截留逐渐形成滤饼。
过滤速度由过滤介质两端的压力差及过滤介质的阻力决定。
过滤介质阻力由二部分组成，一为过滤介质，一为滤饼（先积下来的滤饼成为后来的过滤介质）。
因为滤饼厚度（亦即滤饼阻力）随着时间而增加，所以恒压过滤速度随着时间而降低。
对于不可压缩性滤饼，在恒压过滤情况下，滤液量与过滤时间的关系可用下式表示：
（V+Ve）2=KA2（τ+τe）
式中：
V——τ时间内的滤液量（m3）
Ve——虚拟滤液的体积，它是形成相当于过滤介质阻力的一层滤饼时，应得到的滤液量（m3）
A——过滤面积（m2）
K——过滤常数（m2/s）
τ——相当于得到滤液V所需的过滤时间（s）
τe——相当于得到滤液Ve所需的过滤时间（s）
上式也可写成：
q2+2qeq=Kτ
式中：
q=V/A，即单位过滤面积的滤液量（m）
qe=Ve/A，即单位过滤面积的虚拟滤液量（m）
将过滤方程式微分后得到2qdq+2qedq=Kdτ
整理后得：
将Δτ/Δq对q标绘（q取各时间间隔内的平均值）,在正常情况下,各点均在一条直线上,如图所示,直线斜率2/K=A/B,结局2qe/K=c由此可求出K和qe。
τe由下式得：
在实验中，当计量瓶中的滤液达到100ml刻度时开始按表计时，作为恒压过滤时间的零点。
但是，在此之前吸滤早已开始，即计时之前系统内已有滤液存在，这部分滤液量可视为常量以
表示，这些滤液对应的滤饼视为过滤介质以外的另一层过滤介质，在整理数据时应考虑进去，则方程应改写为：
—系统存液量为170ml
过滤常数的定义式：
两边取对数：
因
，故K与Δp的关系，在双对数坐标上标绘是一条直线。
直线的斜率
，由此可计算出压缩性指数s，读取Δp～K直线上任一点处的K值，将K、Δp数据一起代入过滤常数定义式计算物料特性常数k。
三、实验装置及流程说明
本实验装置由过滤漏斗、滤浆桶、搅拌桨、计量筒、缓冲罐、及真空泵等组成。
如下图所示，滤浆槽内配有一定浓度的硅藻土悬浮液，用电动搅拌器进行搅拌（浆液不出现漩涡为好）。
滤浆在滤浆槽中经搅拌均匀后，启动真空泵，使系统内形成真空达指定值。
滤液经过滤漏斗清液进入计量筒，固相被留在过滤漏斗上逐渐生成滤饼。
定时读取计量筒的液位，并记录。
系统真空度可由真空阀进行调节。
真空泵：
型号：
XZ-1旋片式真空泵，极限压力：
6.7Pa（5×10-2t）；抽速：
1升/秒；
转速：
1400转/分；功率：
180W；
搅拌器：
型号：
KDZ-1；功率：
3200转/分；
玻璃过滤漏斗：
规格：
80mm（250ml）；型号G3；滤板孔径16—30μm
四、实验步骤
1、熟悉实验装置流程
2、装置接通电源，启动电动搅拌器，待槽内浆液搅拌均匀，将过滤漏斗安装好，固定于浆液槽内。
3、打开放空阀7关闭旋塞4及放液阀10。
4、启动真空泵，用放空阀7及时调节系统的真空度，使真空表的读数稍大于指定值，然后达凯旋塞4进行抽滤。
此后时间内要注意观察真空表的读数应恒定于指定值。
当计量瓶滤液达到100ml刻度时按表计时，做为恒压过滤时间的零点。
记录滤液每增加100ml所用的时间。
当计量瓶读数为800ml时停止计时，并立即关闭旋塞4。
5、把放空阀7全开，关闭真空泵，打开旋塞4，利用系统内的大气压和液位高度差把吸附在过滤介质上的滤饼压回槽内。
放出计量瓶内的滤液并倒回槽内，以保证滤浆浓度恒定。
卸下过滤漏斗洗净待用。
6、改变真空度重复上述实验。
7、实验结束后，关闭电源。
五、实验注意事项
1、过滤漏斗如图安装,在滤浆中浸没一定深度,让过滤介质平行于液面,以防止被空气抽如造成滤饼厚度不均匀。
2、启动搅拌器前，用手旋转一下搅拌轴以保证顺利启动搅拌器。
将调速钮调在最小位置，打开调速器开关，将调速钮从小到大位调节，不允许高速档启动，转速状态下出现异常时或实验完毕后将调速钮恢复最小位。
3、用放空阀7调节。
控制系统内的真空度恒定，以保证恒压状态下操作。
六、数据处理
1、由恒压过滤实验数据求K，qe，τe的值
2、写出完整的过滤方程式
3、比较几种压强差下过滤常数K，qe，τe的值，讨论压差变化对以上数值的影响
4、在对数坐标纸上标绘K~Δp曲线求出s和K
七、思考题
1、当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍?
要得到同样的过滤液，其过滤时间是否缩短一半?
2、过滤速度与过滤速率有何不同?
3、恒压过滤时，欲增加过滤速率，可行的措施有哪些?
（板框过滤机：
过滤面积4×0.4m2，过滤介质：
帆布。
不锈钢材质。
）
实验四传热综合实验
一、实验目的
1、通过实验掌握传热膜系数α的测定方法，并分析影响α的因素；
2、掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数C和指数m、n的方法；
3、通过实验提高对α关联式的理解，了解工程上强化传热的措施；
4、掌握测温热电偶的使用方法。
二、基本原理
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变化时对流传热准数关联式一般形式为：
Nu=CRemPrnGrp
对强制湍流，Gr准数可以忽略。
Nu=CRemPrn
本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的指数m、n和系数C。
用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。
为了便于掌握这类方程的关联方法，可取n=0.4（实验中流体被加热）。
这样就简化成单变量方程。
两边取对数，得到直线方程：
在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。
在直线上任取一点的函数值代入方程中得到系数C，即
用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。
而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。
应用计算机对多变量方程进行一次回归，就能同时得到C、m、n。
可以看出对方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。
雷诺准数
努塞尔特准数
普兰特准数
d—换热器内管内径（m）
α1—空气传热膜系数（W/m2·℃）
ρ—空气密度（kg/m3）
λ—空气的导热系数（W/m·℃）
p—空气定压比热（J/kg·℃）
实验中改变空气的流量以改变准数Re之值。
根据定性温度计算对应的Pr准数值。
同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值。
进而算得Nu准数值。
因为空气传热膜系数α1远大于蒸汽传热膜系数α2，所以传热管内的对流传热系数α1约等于冷热流体间的总传热系数K。
则有
牛顿冷却定律：
Q=α1AΔtm
A—传热面积（m2）（内管内表面积）
Δtm—管内外流体的平均温差（℃）
其中：
Δt1=T-t1,Δt2=T-t2
T—蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度Tw（℃）表示
Tw=8.5+21.26×E
E—热电偶测得的热电势（mv）
传热量Q可由下式求得：
Q=w
p（t2-t1）/3600=Vρ
p（t2-t1）/3600
w—空气质量流量（kg/h）
V—空气体积流量（m3/h）
t1,t2—空气进出口温度（℃）
实验条件下的空气流量V（m3/h）需按下式计算：
—空气入口温度下的体积流量（m3/h）
—空气进出口平均温度（℃）
其中
可按下式计算
ΔP—孔板两端压差（KPa）
—进口温度下的空气密度（kg/m3）
强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效的利用能源和资金。
强化换热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。
在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。
强化传热时，Nuo=BRem，其中B、m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
同样可用线性回归方法确定B和m的值。
单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔特准数Nuo与普通管的努塞尔特准数Nu的比。
显然，强化比Nuo/Nu＞1，而且它的值越大，强化效果越好。
三、实验装置
1、仪器设备
本实验采用套管式换热器，冷空气走管程，饱和水蒸汽走壳程。
⑴传热管参数
换热器内管内径di（mm）
19.25
换热器内管外径do（mm）
22.01
换热器外管内径Di（mm）
50
换热器外管外径Do（mm）
52.5
总管长（紫铜内管）L（m）
1.30
测量段长度l（m）
1.00
强化换热器内管内插物（螺旋线圈）尺寸
丝径h（mm）
1
节距H（mm）
40
加热釜
操作电压
≤200伏
操作电流
≤10安
⑵不锈钢孔板流量计的孔径比m=17mm/44mm≈0.39
⑶空气进、出口测量段的温度t1、t2采用电阻温度计测量，在显示仪表上直接读数。
换热管的外壁面平均温度Tw采用铜—康铜热电偶测量，在数字式毫伏计上显示数值E。
⑷电加热釜使用体积为7升（加水至液位计的上端红线），内装有一支2.5Kw的螺旋形电加热器，最高使用电压不超过200伏（由固态调节器调节）。
⑸漩涡气泵，XGB—2型，电功率约0.75Kw（三相电源）。
2、实验装置流程图
四、实验方法及步骤
1、实验前的准备，检查工作。
⑴向电加热釜加水至液位计上端红线处。
⑵向冰水保温瓶中加入适量的冰水，并将冷端补偿热电偶插入其中。
⑶检查空气流量旁路调节阀是否全开，电压调节电位器是否旋至最左端（逆时针方向）。
⑷检查普通管支路各控制阀是否已打开。
保证蒸汽和空气管线的畅通。
⑸接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。
2、实验开始。
⑴一段时间后水沸腾，水蒸气自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。
⑵约加热十分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度t1（℃）比较稳定。
⑶调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值（当旁路阀全开时，通过传热管的空气流量为所需的最小值，全关时为最大值）。
⑷稳定5～8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t1,t2,E值。
（注意：
第一个数据点必须稳定足够的时间）
⑸重复⑶与⑷共做5～6个空气流量值。
⑹最小最大流量值一定要做。
⑺整个实验过程中，加热电压可以保持不变，也可随空气流量的变化做适当的调节。
3、转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。
测定5～6组实验数据。
4、实验结束。
⑴关闭加热开关。
⑵过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。
⑶切断总电源。
⑷若需几天后再做实验，则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。
五、实验注意事项
1、实验装置仪表柜上的拉门学生不得随便打开，以防触电。
2、实验前要在指导教师允许的情况下，检查冰水保温桶中是否有冰水混合物共存，检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。
3、蒸汽加热釜中的水位要保持在正常范围内。
不可低于1/2液位，也不可高于2/3液位。
4、必须保证蒸汽上升管线的畅通。
即在给蒸汽加热釜加热之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。
在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一支路，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
5、也必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
六、数据处理
1、根据实验结果，计算出α1、Nu、Re及Nuo值，并列出结果数据一览表。
2、计算强化比Nuo/Nu。
3、以Re为横坐标，Nu/Pr0.4为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制一条直线，确定出C、m以及B、m值。
再写出流体在圆管内做强制湍流流动时的传热膜系数半经验关联式。
七、思考与讨论
1、将实验得到的半经验准数关联式和公认式进行比较，分析造成偏差的原因。
2、本实验中管壁温度应接近加热蒸汽温度还是空气温度？
为什么？
3、管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？
当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？
为什么？
4、冷凝下来的蒸汽为何要及时排出？
否则会导致什么后果？
5、试估算实验近似取α1=K对K造成的误差。
（可取α2=8000W/m2·℃）
（套管换热器：
内管ф20X1.2mm，外管ф52X1.5mm，换热段长度：
1.2m，精制不锈钢材质。
）
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